比直升機(jī)優(yōu)雅

農(nóng)先宇 臧渡洋

許多植物都有依靠風(fēng)來(lái)傳播種子的習(xí)性，蒲公英更是其中的佼佼者，它能把種子散播到幾公里甚至幾十公里之外的地方。這個(gè)過(guò)程中最讓人驚奇的是，即使偶有大風(fēng)吹過(guò)，蒲公英種子也能穩(wěn)穩(wěn)地保持住幾乎直立于地面的姿態(tài)，緩緩旋轉(zhuǎn)著繼續(xù)飛行，就像在跳一段優(yōu)雅的空中芭蕾。

為什么蒲公英種子在大風(fēng)中也能如此優(yōu)雅？其中的關(guān)鍵就是渦環(huán)。

什么是渦環(huán)？

渦環(huán)是一種流體流動(dòng)的現(xiàn)象。它廣泛存在著，大到龍卷風(fēng)形成的圓圈形狀、原子彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的蘑菇云，小到水族館中的海豚吐出的圓環(huán)氣泡、水面上的漩渦，都是因?yàn)闇u環(huán)而導(dǎo)致。

渦環(huán)由數(shù)個(gè)渦動(dòng)組成。這些渦動(dòng)是以沿著圓形軌道的切線方向向外或向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的，它們又圍繞著一個(gè)圓形軌道排列成一個(gè)大圓環(huán)，這種軌道被稱為渦環(huán)軌道。渦環(huán)的形成受流體流動(dòng)的速度、流體的黏度和流體受到的氣壓差影響。所以，對(duì)于各種外形不同的物體而言，受到不同流體流動(dòng)所形成的渦環(huán)也不一樣。

渦環(huán)是一種獨(dú)特的流體流動(dòng)行為，流體流動(dòng)可能會(huì)使物體的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，直升機(jī)在降落時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的機(jī)身不穩(wěn)的現(xiàn)象就是受到了渦環(huán)的影響。

渦環(huán)的伴舞

在蒲公英種子的飛舞過(guò)程中，渦環(huán)表現(xiàn)得很明顯。蒲公英種子由上下兩部分構(gòu)成，分別是上部分的絲狀冠毛和下部分的莖與種子核。冠毛由很多根細(xì)絲組成，細(xì)絲像自行車輪子上的輻條一樣從莖與冠毛連接處的中心向外輻射，每根相鄰細(xì)絲之間存在一個(gè)微小的孔隙。種子上端的冠毛會(huì)因風(fēng)吹而改變其中每根細(xì)絲的朝向和分布，氣流穿過(guò)每根細(xì)絲之間的孔隙。穿過(guò)細(xì)絲孔隙的氣流又被細(xì)絲末尾端阻礙，在冠毛上形成了不平衡的氣壓差和速度差，導(dǎo)致一對(duì)穩(wěn)定的渦環(huán)在蒲公英種子上方形成。這種渦環(huán)增加了空氣阻力，使種子像降落傘一樣減速，不至于因飛行速度太快而翻滾或傾倒，而是緩緩旋轉(zhuǎn)著往前飛行。

科學(xué)家研究了蒲公英種子冠毛的細(xì)絲間距和雷諾數(shù)45（一種可用來(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)。雷諾數(shù)較小時(shí)，流體流動(dòng)穩(wěn)定；反之，流體流動(dòng)較不穩(wěn)定。）對(duì)飛行的影響——每當(dāng)有氣流通過(guò)蒲公英種子的冠毛時(shí)，改變冠毛上的細(xì)絲數(shù)量和孔隙密度，就可以改變冠毛上方形成的渦環(huán)性質(zhì)。在較高的雷諾數(shù)或有較多的細(xì)絲數(shù)量和較多孔隙密度的情況下，渦環(huán)會(huì)穩(wěn)定形成；反之，渦環(huán)不能穩(wěn)定形成。也就是說(shuō)，光禿禿的蒲公英種子是不能玩轉(zhuǎn)空中芭蕾的。

像蒲公英一樣飛行？

受到蒲公英的啟發(fā)，有學(xué)者設(shè)計(jì)了類似的飛行器。它具有飛行時(shí)保持穩(wěn)定，最后直立著陸的功能。它更大的優(yōu)勢(shì)在于可以在極低的燃料消耗甚至無(wú)燃料消耗的條件下維持飛行，從而滿足低成本、大范圍的遠(yuǎn)距離飛行。不過(guò)目前，由于關(guān)于渦環(huán)的作用機(jī)制和形成規(guī)律還需要進(jìn)一步的探索研究，該飛行器還無(wú)法完美模仿蒲公英種子的飛行模式。

未來(lái)，這一支“空中芭蕾”或許能夠由你們來(lái)實(shí)現(xiàn)。